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1、 . . . 基于PLC的投币式模糊控制洗衣机系统设计一、课题研究的背景以及研究意义近年来,我国现代化工业快速发展,人们生活水平也在日益提高,与人们生活息息相关的家用电器的自动化程度也就要求越来越高,当今的中国的城镇居民每一户家庭中几乎都拥有一台洗衣机,全自动化洗衣机把人们从繁重的洗衣劳动中解脱出来,但居住在学校和工厂集体宿舍这样的环境下人们洗衣服仍然以手洗为主,所以选择在学校和工厂的公共点设置投币洗衣机不但能让人们享受全自动洗衣机带来的方便而且也能产生一定的经济利益,目前市面上普通的投币式洗衣机存在诸多缺点,比如故障多,投币器真假币判断错误率高,衣服洗不干净和浪费水电等情况,这样设计一种新的
2、智能化的投币式洗衣机控制系统就很有必要和意义了。二、控制系统主要分三部分：1.传感器与数据的检测2.PLC与模糊控制3.智能投币器系统整个工作流程图如下：首先把衣服放入洗衣机然后合上盖子,用户对投币器进行投币,投币器接受到投币信号后传给然后系统经过初始化工作后开始正式工作,各种传感器把采集到的数据经过转换后送到模糊控制器中,从模糊控制器中获得数据后对进水排水电磁阀、各种电机、以及洗漆剂添加装置等工作过程进行控制,当洗衣机工作过程结束后,顾客取出衣物,洗衣过程结束。1.传感器与数据的检测1.1衣服重量的检测1.1.1光电传感器衣服重量的检测主要依靠光电传感器,光电传感器是根据光敏二极管工作原理制
3、造的一种感应接收光强度变化的电子器件,当它发出的光被目标反射或阻时,则接收器感应出相应的电信号。它包含调制光源,由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置把红外、可见光、紫外线等光信号转变成电信号的元器件,在光电检测系统中是光电转换过程的核心部件。检测衣物重量就是利用不同质量的衣物对滚筒的压力和摩擦力不同,通电光电传感器检测滚筒的转速从而间接的获得衣物的质量。1.1.2衣量的检测方法衣物的重量和衣物的质料是洗衣机实现模糊控制最重要的两个输入量,衣服的重量和衣物的质料决定模糊洗衣机洗漆时间、滚筒的水位以及洗漆剂的用量三个物理量,本文中使用的检测衣物重量的基本原理是不同重量的衣物产生
4、的布阻抗也就不同。先把衣物放入滚筒后对电机先通电后断电,不同重量的衣物电机的转速和转动圈速也就不同,如果能检测出来滚筒的转速和转动圈数,就可以推算出衣物的重量了,测速原理图如图所示1.2衣物质料的检测衣服质料的判断需要有两个因素,布量和吸水量,依据的基本原理是不同的布料的吸水能力不同,且同种布料质量不同的吸水性也不同,下面介绍吸水量的检测的方法：向洗衣机注入一定量的水,转动胆,让衣服充分吸收水分,然后测量n次水位。当没有被洗衣物的时候水位应该为则水位应为H1、H2、Hn,当有被洗物,则水位应为h1、h2、hn。因为相同质料的衣物吸水性能是相同的而相同衣物重量不同质料的衣物吸水性能是不同的。所以
5、两个水位差值变化曲线即可反映被洗衣物的吸水性能。通过吸水性能和布量可判断出布质。时间的关系图如图所示：根据上图可以观察得到含棉量越多的布料吸水性越强。由于洗衣服的时候,通常是几种布料夹杂在一起,根据吸水性可得知衣服的含棉量,进而获得衣服的布质。1.3衣服的脏污程度的检测1.3.1浑浊度传感器检测原理是根悬浮颗粒在液体中不同的浓度所对照的漫反射射入光的强度也有所不同,经过实验研宄和理论推算获得散射光与投射光的比值与浑独度符合线性关系,浊度的测量主要转换为散射光强度的测量。浑浊度传感器检测过程示意如图所示：1.3.2脏污程度检测方法首先打开电磁阀,等待后,当洗衣机的洗涤液到达排水泵后,排水泵的排水
6、功能将使浑浊度传感器测量槽的流入的洗涤液跟洗衣机的洗涤液保持一致。这样就能实现浑浊度传感器实时检测洗涤液。PLC启动排水泵,30s后关闭电磁阀和排水泵,洗涤液进入浑独度传感器的测量槽后静止30s,30s可以让洗涤液气泡消失从而达到稳定,此时进行浑独度检测；重复以上过程若干次直到洗涤液浑浊度增长率变化接近稳定后,即可认定衣服已经被清洗干净,可以结束洗涤。1.4水位的检测洗衣机桶水位高度的检测也是依靠水位传感器来完成的,水位传感器实现的基本原理为：洗衣桶的水压迫使空气室的气体给压力传感器施压,作用于压力传感器的隔膜,隔膜板随即被抬起。弹簧也作用于隔膜板,这两个力共同作用在传感器上达到平衡后就确定了
7、传感器部的一个铁心对线圈的位置,给线圈通电后,铁心每次相对于线圈位置线圈固定不动的变动后,线圈都会产生一个一一对应的输出电感。与此同时震荡回路会给控制洗衣机的输入一个频率信号。如图为水位传感器的工作示意图,图为压力传感器结构图。图为电路原理图。2.PLC与模糊控制2.1可编程控制器PLCPLC的种类很多,功能和指令差异也很大,但是其结构和工作方式小异。本文选用西门子公司的S7-200系列PLC,该系列PLC体积小、质量轻、指令丰富、能耗低,性价比较高,硬件系统由主机、I/O接口、电源、编程器、I/O拓展接口和外部设备接口等主要部分构成,如图所示,如果将PLC看作一个系统,这个系统是按照如下的过
8、程对输出设备进行控制的：首先输入变量外部的各种开关信号和模拟信号通过输入接口输入到PLC的数据寄存器中并寄存起来,当用户程序需要进行逻辑运算或者数据处理等要求时,PLC数据寄存器中的数据就以输出变量的形式从输出接口输出从而达到对输出设备的控制。2.2模糊控制概述模糊控制的基本思想就是根据人的经验通过计算机来实现。模糊概念、控制作用、过程变量这三者之间的关系可以用模糊数学表达式表达出。在己知了模糊关系和某时刻过程变量的检测值的情况下,通过模糊数学中的模糊逻辑推理就可得出这个时刻的控制量。用一句话概括模糊控制：依据人的经验为知识模型,用模糊数学进行模糊推理,通过计算机来实现的一种智能控制这就是模糊
9、控制的基本思路。模糊控制系统由5个部分组成,分别为模糊控制器、IO接口、检测装置、执行机构、被控对象。其中模糊控制器为核心。与计算机控制系统不同之处在于模糊控制系统的控制器不是中央处理器而是模糊控制器,为了能够和模拟环节连接,在模糊控制器的接口处需要模/数,数/模转换。模糊控制系统同时也是闭环反馈系统,检测装置检测到的数据要与设定值进行比较得出偏差,然后根据偏差进行调节。模糊控制器又称为模糊逻辑控制器。因为模糊控制规则用模糊条件语句来描述,因此有时也称为模糊语言控制器。模糊控制器结构如图所示,从功能上划,它主要由四个部分组成：模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口。00003.智能投币器检测
10、过程中使用的一种最重要传感器叫电涡流传感器。顾名思义电涡流传感器是利用电涡流效应进行工作的。它结构简单、灵敏度高、频率围宽、不受油污等介质影响、并能进行非接触测量、适用围广,因此一问世就受到各国的重视。目前这种传感器己广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数,以及用于无损探伤等领域。电涡流传感器的工作原理为金属导体在磁场中与磁场产生相对运动时,金属导体就会有感应电流产生该感应电流又会产生一个变化的磁场来抵抗外界磁场的变化。下图为投币器的系统结构图。采用单片机控制,硬件主要包括1.AT89C2051单片机；2.显示模块,用来显示投币的数目；3.硬币学习电路,采用555定时器对硬币的学
11、习；4.投币检测电路；5.MAX485电平转换电路,为了和PLC进行通信,需要电平进行转换；6.按键电路,可以决定投币器是学习状态或者清除学习状态；7.X5045监控存储模块,用来储存硬币的特征值。系统的基本工作过程如下：硬币塞入投币器首先通过涡流传感产生涡流效应,产生的信号经过信号调理电路处理,变换成数字量提供给AT89C2051实时处理。按键电路为两个按钮,这两个按钮用来决定投币器工作在有学习状态还是清除已学习硬币的币种；X5045存储模块用来存储已学习硬币的特点信息；MAX485电平转换电路与的PLC通讯口连接用来二者进行通信；显示报警电路投币数目；电源用来给AT89C2051供电。投币
12、检测电路：投币器检测硬币是根据光电親合器的光束是否被阻挡来判定的,当硬币投入到投币口落下的一瞬间将会遮挡D2发出的光束,三极管Q1立马截至,光电耦合器输出高电平,经过反向器后变为下降沿输入到单片机中,如图所示：三、控制系统的软件部分模糊控制系统中软件的设计是核心部分。在使用洗衣机洗衣之前需要投币,投币器的工作状态有两种,分别为学习状态和检测状态。学习状态程序流程为：给投币器通电后,系统首先检测是否处于学习状态,当学习状态按钮被按下后,系统首先把X5045的特征数据格式化,等新的硬币特征被输入后投币器就可以进行检测硬币状态了,如果学习状态的按钮没有按下,系统将会采用上一次X5045的硬币特征作为
13、检测依据。投币了检测状态流程为：当有投币信号产生时,系统把检测到的投币信号的特征值与X5045的特征数据比较,如果一致那么直接显示硬币数目加1,如果不一致则说明投入的硬币是假的,直接从阀门口退出硬币。根据前面的模糊控制器的容我们知道洗衣机的大多数的模糊推理都在洗涤之前执行完成,然后进入洗涤过程。在实际洗涤过程可能由于一系列的原因产生故障,因此需要系统对故障进行报警。本文定义的隶属度函数建立的的洗衣决策表被简化后又建立了新的控制规则表,根据新的控制规则再结合人们在实际使用过程的习惯得到了洗衣机工作的总流程图。程序中包含有自检程序、检测程序、洗涤程序、漂洗程序、脱水程序。洗衣机的工作流程为：投完币
14、后,PLC接收到投币信号后即幵始进入工作状态,系统首先自检,自检的作用就是检测在正常洗涤衣物之前有无异常,如果有异常则系统不能进行接下来的洗涤动作,如果一切正常则启动第一次洗涤程序,当第一次洗涤结束后即判断是否需要进行第二次洗涤,如果不需要系统进入是否进行脱水程序的判断,如果需要则继续执行第二次洗涤程序,当进入到脱水程序时,如需要脱水就进行脱水,然后结束,不需要脱水则直接结束。自检程序的流程为：洗衣机进行洗涤之前系统需要进行自我检查,然后进行模糊推理和第一次洗涤,第一次洗涤完毕后如果衣服不够干净则需要进行第二次洗涤,最后对衣服进行漂洗和脱水,洗衣完成。四、总结与展望本文的控制系统仍然存在如下问题有待解决：本文进行约简对象数据量较少,如果数据量很大是否仍能得出较理想的效果；投币器是根据硬币的特征如材料和硬币表面的花纹等特征进行检测的,如果遇到材质相似以及大小与表面花纹相似度高的硬币误判率可能很高。 /
